铁尾矿砂混凝土抗渗试验优化设计

第３５卷第４期　河北联合大学学报（自然科学版）　
２０１３年１０月　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　
Ｖ０１．３５　Ｎｏ．４　

Ｏｃｔ．２０１３　

文章编号：２０９５－２７１６（２０１３）０４－０１０４－０４　
铁尾矿砂混凝土抗渗试验优化设计　
胡现良　，龙彬彬　，陈晓艳　，王化平　，王志光　
（１．河北联合大学建筑工程学院，河北唐山０６３００９；２．唐山建华工程质量检测有限公司，河北唐山ｏ６３０ｏｏ）　

关键词：铁尾矿砂；混凝土；抗渗性；正交试验设计　
摘要：简要介绍了正交试验设计原理及该方法的特点，详述了用该方法对铁尾矿砂混凝土抗渗　
性试验方案的优化过程，包括因素、水平的确定、正交表的选择、方案的确定等。可以为铁尾矿　
砂混凝土的进一步研究提供一定的参考和借鉴。　
中图分类号：ＴＵ５２８．３２文献标志码：Ａ　

０　引　言　
铁尾矿砂在混凝土中的应用，既能解决建筑用砂资源日益短缺的突出矛盾，又能减少铁尾矿砂堆存对环　
境污染和占用大量土地的问题¨　。然而，目前国内外对铁尾矿砂混凝土性能试验研究较片面，尤其是对其　
抗渗性能的研究就更少，对影响抗渗性能的因素考虑的不全面，各因素之间的交互作用以及因素的显著性都　
没有做相关研究。全面考虑各因素对抗渗性的影响，按传统的全面试验法进行试验方案设计需要的试块太　
多，课题的研究在试验阶段的工作量很大，短时问内得不出满意的结果。因此需要一种既能考虑众多影响因　
素，又能减少试验工作量的试验设计方法，而正交试验设计就具有这些优点。目前，国内外用正交方法对铁　
尾矿砂混凝土抗渗试验进行试验方案的设计及分析还没有可查的文献资料。　

１　正交试验设计原理及特点　
正交试验设计法是利用正交表进行科学地安排与分析多因素试验的方法，这种方法采取部分试验来代　
替全面试验的方法，挑选出有代表性的试验点来进行试验，通过对代表性的试验的结果分析，了解全面试　
验的情况，以实现工艺的优化。其特点为：完成试验要求所需的实验次数少；数据点的分布很均匀，结论的　
可靠性较好；可用相应的极差分析方法、方差分析方法、回归分析方法等对试验结果进行分析，引出许多有价　
值的结论。　］’　

２　铁尾矿砂混凝土抗渗试验正交设计　
铁尾矿砂混凝土抗渗试验的研究目标是通过试验方法，系统地研究各因素对铁尾矿砂混凝土抗渗性的　
影响，提出各因素对铁尾矿砂混凝土抗渗性影响的显著程度、最优方案及并建立铁尾矿砂混凝土抗渗性能的　
预测模型。　

２．Ｉ试验因素及指标的确定　
研究表明，混凝土材料的渗透性与其密实度、孔隙特征、材料组成等密切相关　］。而水胶比是影响混凝　
土密实度的一个重要因素；粉煤灰能够起到填充以及火山灰作用，提高混凝土密实性、改善孔结构及水泥石　
与集料间界面结构；此外铁尾矿砂取代率及粉煤灰对混凝土的渗透性也有较大影响。鉴于此，对铁尾矿砂混　
凝土抗渗性能试验研究选择水胶比、粉煤灰掺量、铁尾矿砂取代率及砂率四个主要因素进行研究。　

２．２试验因素水平的确定　
１）水胶比水平　
收稿日期＂．２０１３－０４—１５　
第４期　胡现良，等：铁尾矿砂混凝土抗渗试验优化设计　１０５　
试验表明，当Ｗ／Ｃ＞０．５５的时候，普通混凝土抗渗性很差，Ｗ／Ｃ＜０．５０的时，抗渗性较好。当水灰比由　
０．４增至０．７时，水泥浆渗透系数增大１００倍以上，水灰比超过０．５时，渗透系数增加比较显著　Ｊ。综上，　
水胶比分别取０．４０、０．４５、０．５０、０．５５、０．６０。　
２）粉煤灰掺量水平　
大连理工大学进过试验研究发现，在试验条件相同的情况下，添加３０％一５％粉煤灰混凝土的氯离子扩　
散系数明显低于基准混凝土　ｊ。所以，粉煤灰掺量的水平分别取０、１５％、３０％、４５％、６０％。　
３）铁尾矿砂取代率水平　
有实验表明Ｃ３０、Ｃ４０混凝土在取代率为５０％时，铁尾矿砂混凝土的抗渗性能优于普通混凝土　。当　
尾矿砂取代率为２０％及１００％时，在粉煤灰的掺人、相对较低的水胶比和采用空隙率较低的石子的情况下，　
尾矿砂混凝土具有很强的抗氯离子渗透能力－８　Ｊ。综上，本课题取代率定为０、２５％、５０％、７５％、１００％，以确　
定最优最大取代率。　
４）砂率水平　
《普通混凝土配合比设计规程》（ＪＧ『５５—２０１１）中，砂率的取值范围在２９％～４３％，所以选择砂率的水平　
分别为：３Ｏ％，３３％，３６％，３９％，４２％，当所取砂率严重混凝土的和易性时可适当调整。　
于是，铁尾矿砂混凝土抗渗性能试验的因素水平见表１，它是试验方案设计前两步的成果，并作为后几　
步的依据。　
表１因素水平表　

０．４０　０．４５　Ｏ．５Ｏ　Ｏ．５５　Ｏ．６Ｏ　Ｏ　１５％　３Ｏ％　４５％　６ｏ％　Ｏ　２５％　５０％　７５％　１０ｏ％　３Ｏ％　
３３％　
３６％　
３９％　
４２％　

２．３选用合适的正交表　
正交表的选择一般是根据因素和水平的多少及试验工作量的大小而定。如果要考查的因素都要进行优　
化，可选择因素水平都相同的普通正交表，一般选择能够容纳下全部因素和水平而试验次数最少的正交　
表…。铁尾矿砂混凝土抗渗性能试验中考虑的因素是四个，每个因素的水平都是五，所以应该选择的正交　
表是　：　（５。）。　
２．４表头设计　
选定正交表后，将各因素顺序排入正交表的各列中，每个因素只占表中一列，元因素排人的列可删去，一　
般将因素按由主到次排列，如果因素间不考虑交互作用，各因素可以任意安排到各列中去。通常专门列出表　
头设计，但对于不考虑交互作用的试验方案可以省略。　
２．５确定试验方案　
在表头设计的基础上将所选正交表中各列的不同数字换成对应因素的相应水平，便形成了试验方案。　
具体方案见表２。　
表２试验方案　

（１）ｏ．４０　（１）０．４０　（１）０．４０　（１）０．４０　（１）３Ｏ％　
（２）３３％　
（３）３６％　
（４）３９％　
１０６　河北联合大学学报（自然科学版）　第３５卷　
续表２　

（１）０．４０　
（２）０．４５　
（２）０．４５　
（２）０．４５　
（２）０．４５　
（２）０．４５　
（３）Ｏ．５０　
（３）０．５０　
（３）Ｏ．５０　
（３）０．５０　
（３）０．５０　
（４）０．５５　
（４）０．５５　
（４）０．５５　
（４）０．５５　
（４）０．５５　
（５）０．６０　
（５）０．６０　
（５）０．６０　
（５）０．６０　
（５）０．６０　
注：括号里的数字代表相应因素的不同水平。　

３　正交试验结果分析　

正交试验结果分析的方法有三种，分别是极差分析、方差分析、回归分析。　
３．１极差分析　
极差指的是各列中各水平对应的试验指标平均值的最大值与最小值之差。用极差法分析　
正交验结果可引出以下几个结论：　
１）在试验范围内，各因素对铁尾矿砂混凝土抗渗性能的影响从大到小的排队。某列的极差最大，表示　
该列的数值在试验范围内变化时，使抗渗性能数值的变化最大。所以各因素对抗渗性能的影响从大到小的　
排队，就是各列极差的数值从大到小的排队。　
２）铁尾矿砂混凝土随各因素的变化趋势。为了能更直观地看到变化趋势，常将计算结果绘制成图。　
３）找出使铁尾矿砂混凝土最优因素水平搭配。　
４）可对所得结论和进＿步的研究方向进行讨论。　
３．２方差分析　
与极差法相比，方差分析方法可以多引出一个结论：各因素对铁尾矿砂混凝土抗渗性能的影响是否显　
著，在什么水平上显著。在数理统计上，这是一个很重要的问题。显著性检验强调试验在分析每列对指标影　
响中所起的作用。如果某列对指标影响不显著，那么，讨论试验指标随它的变化趋势是毫无意义的。因为在　
某列对指标的影响不显著时，即使从表中的数据可以看出该列水平变化时，对应的试验指标的数值与在以某　
种“规律”发生变化，但那很可能是由于实验误差所致，将它作为客观规律是不可靠的。有了各因素的显著　
性检验之后，最后应将影响不显著的交互作用列与原来的“误差列”合起来。组成新的“误差列”重新检验各　
列的显著性。　
３．３回归分析　
为进一步掌握试验指标与诸因素之间的内在规律，有必要对试验结果进行回归分析。所谓回归分析实　

％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％％　
２　６　９　２　Ｏ　２　Ｏ　６　９　６　９　２　０　９　２　Ｏ　６　４　３　３　４　３　３　４　３　３　３　３　３　３　３　４　３　３　４　３　３　３　
＾＾＾、ｉ＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾＾；　
５　３　４　５　ｌ　２　５　１　２　３　４　２　３　４　５　１　４　５　１　２　３　
ｌ，｝ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　ｌ　
一　一　一。＾嬲　一。＾　一　㈤㈩　㈤㈤　㈤㈤　㈤㈤㈣　㈣㈤㈩　
％，％％％％　％％％％　％％％％　％％％％　∞　巧∞　∞　如　∞　∞　∞　∞　
；ｌ｛／；；（（　
９　ｍ　ｎ￡！Ｂ¨　＂　∞　
第４期　胡现良，等：铁尾矿砂混凝土抗渗试验优化设计　１０７　
际上就是把试验所取得的数据整理成可供应用的具有统计价值的数学公式，对于本试验来说就是把试验中　
的各种因素对铁尾矿砂混凝土的影响用数学公式表来。　

４　结　语　
采用正交试验设计法可明显减小试验的工作量，提高效率。值得注意的是，用正交试验设计的试验方　
案得到的试验结果还需要验证试验做进一步的检验。为了寻求更优的因素组合，可以在所得最优组合的附　
近选取某个数值区域，用正交试验设计法再经迭代优化，获得最优组合。　
参考文献：　
［１］陈家珑．尾矿利用与建筑用砂［Ｊ］．金属矿山，２００５（１）：７１－７５．　
［２］任露泉．试验设计及其优化［Ｍ］．北京：科学出版社，２００９．　
［３］赵铁军．混凝土渗透性［Ｍ］．北京：科学出版社，２００６：４４－４５．　
［４］郑书成．混凝土水渗透性试验研究和影响因素分析［Ｊ］．混凝土，２０１１（２５９）：ｌＯ—ｌ２．　
［５］殷惠光．混凝土抗氯离子渗透性试验及其预测模型研究［Ｊ］．建筑科学，２０１０：２６（３）：１９－２３．　
［６］　朱述端．粉煤灰对混凝土耐久性能的作用［Ｊ］．城市建设理论研究（电子版），２０１１（３５）．　
［７］何兆芳，邓初首．尾矿在预拌混凝土中应用的试验研究［Ｊ］．混凝土：实用技术，２００９（９）：１１５—１１８．　
［８］　卞立波，宋少民．尾矿特细砂高性能混凝土应用技术研究［Ｊ］．商品混凝土，２００８（４）：１１—１４．　

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｍｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　Ｔｅｓｔ　ｏｎ　Ｉｒｏｎ　Ｔａｉｌｉｎｇ　Ｓａｎｄ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　
ＨＵ　Ｘｉａｎ—ｌｉａｎｇ，ＬＯＮＧ　Ｂｉｎ—ｂｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏ—ｙａｎ，ＷＡＮＧ　Ｈｕａ—ｐｉｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｚｈｉ—ｇｕａｎｇ　
（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｉｖｉｌ　ａｎｄ　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｔｅｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔａｎｇｓｈａｎ　Ｈｅｂｅｉ　０６３００９，Ｃｈｉｎａ）　

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｒｏｎ　ｔａｉｌｉｎｇ　ｓａｎｄ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ；ｉｍｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ；ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｔｅｓｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｗｅｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｍｐｅｒ－　
ｍｅａｂｉｌｉｔｙ　ｔｅｓｔ　ｏｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｅｒｒｏｕｓ　ｍｉｌｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ａｓ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｆｉｎｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ　ｔｈａｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ，　
ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ａｓｃｅｒｔａｉｎｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｌｅｖｅｌｓ，ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　ｔａｂｌｅ，ａｓｃｅｒｔａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｆｉｎａｌ　ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ　
ｐｌａｎ．Ｉｔ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｓｏｍｅ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｅｒｒｏｕｓ　ｍｉｌｌ　ｔａｉｌｉｎｇｓ　ａｓ　
ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ　ｆｉｎｅ　ａｇｇｒｅｇａｔｅｓ．